基于ANSYS的钢筋混凝土结构三维实体建模技术

基于ANSYS的钢筋混凝土结构三维实体建模技术信息发布： ZXL 发布时间： 2006-4-6 16:59:21 被阅： 666 次来源：易路网

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1 引言

ANSYS有限元分析软件具有功能极为强大的前后处理及计算分析能力，能够模拟结构等多种物理场间的耦合效应，可以实现对结构的“全过程仿真”和“全过程分析”。但ANSYS中提供的材料模型大多数为基于经典材料力学理论的均质材料模型，与混凝土的本构关系有很大区别。借助ANSYS对钢筋混凝土这种复杂材料的结构进行分析时，需要针对分析对象的结构层次、分析类型、荷载水平等合理采取单元类型和材料模型，才能够取得满意的分析结果。

结构分析的主要步骤为：①建立结构模型。定义单元类型、赋予单元实常数构成结构几何体；定义几何体材料属性从而构成结构模型；对结构模型进行划分网格。②施加载荷和边界条件。根据工程具体分析要求，等效简化边界约束，布置承受荷载。③校验、求解。运行过程中通过参数效验、检查模型建立的准确性，及时进行修正。④评价和分析结果。运行结果可以通过控制输出模式，根据需要得到各种有关的力学性能参数，以表格、图形、动画等各种形式表现输出，对计算结果进行分析评价。

2 钢筋混凝土结构有限元分析单元类型

通常钢筋混凝土结构有限元分析单元分为两个层次：杆系单元和实体单元。前者着重分析单元力（包括力和弯矩）与位移（包括位移和转角）之间的关系，而后者着重分析单元的应力—应变关系。单元类型的选取应兼顾计算规模、材料模型的精度等多方面的因素。对于全结构规模较大，可将结构离散成杆系单元进行分析。对于复杂区域（梁柱节点）或重要的构件等可将杆系结构体系计算的力和位移施加到实体单元模型上，分析局部应力和应变。在结构分析中应尽可能多地采用三维实体单元模型，力求最大程度的真实模拟实际结构构件。

3 钢筋混凝土结构有限元分析中的模型

钢筋混凝土结构不同于一般均质材料，它是由钢筋和混凝土两种材料构成的，一般钢筋是被包围在混凝土之中，而且相对体积较少，因此建立结构有限元模型需考虑这些特性。构成钢筋混凝土结构的有限元模型主要有以下三类：

3.1 分离式模型

分离式模型把混凝土和钢筋作为不同的单元来处理，即混凝土和钢筋各自被划分为足够小的单元。考虑到钢筋是一种细长材料，通常可忽略其横向抗剪强度。这样，可以将钢筋作为线形单元处理（如A NSYS中的link8单元）。混凝土可采用四面体单元等实体单元（如ANSYS中的solid65单元）。在该模型中，钢筋和混凝土之间可以插入联结单元来模拟钢筋和混凝土之间的粘结和滑移，若钢筋和混凝土之间的粘结很好，不会有相对滑移，则可视为刚性联结，可以不考虑联结单元问题。众所周知，钢筋混凝土是存在裂缝的(否则钢筋难以发挥作用)，而开裂必然导致钢筋和混凝土变形不协调，也就是说必然存在粘结失效和滑移的产生，因此这种模型被广泛的应用。单元刚度矩阵的推导与一般有限元相同。

3.2 组合式模型

组合式模型是假设钢筋以一个确定的角度分布在整个单元中，并假设混凝土与钢筋之间存在着良好的粘结，认为两者之间无滑移。又分为分层组合方式和带钢筋膜的方式等。该单元刚度矩阵推导时

分别求出各自的单元刚度，然后组合起来。

3.3 整体式模型

整体式模型是假设钢筋分布于整个单元中，并把单元视为连续均匀材料（如ANSYS中的四面体等实体单元-solid65单元选择混凝土材料时），采用混凝土-钢筋复合的本构关系，把混凝土、钢筋二者的贡献组合起来，一次求得综合的单元刚度矩阵。

后两种模型共同点是它们的单元刚度矩阵都是反映钢筋混凝土的综合刚度。

4 钢筋混凝土结构分析中裂缝处理的主要方式

混凝土最重要的特征之一是其抗拉强度很低，在很多情况下混凝土结构是带缝工作的。裂缝引起周围应力的突然变化和刚度降低。裂缝处理的适当与否是能否正确地分析钢筋混凝土结构的关键问题。同时，也是较难处理的复杂问题。目前，处理裂缝的方法有3种。

4.1 离散裂缝模型

也称单元边界的单独裂缝模型，即将裂缝处理为单元边界，一旦混凝土开裂，就增加新的结点，重新划分单元，使裂缝处于单元和单元边界之间。该方法可以模拟和描述裂缝的发生和发展，甚至裂缝宽度也可确定。但因几何模型的调整、计算量大等，其应用受到限制。

4.2 分布裂缝模型

也称单元内部的分布裂缝模型，以分布裂缝来代替单独的裂缝，即在出现裂缝以后，仍假定材料是连续的，仍然可用处理连续体介质力学的方法来处理。某单元积分点的应力超过了开裂应力，则认为整个积分点区域开裂，并且认为是在垂直于引起开裂的拉应力方向形成了无数平行的裂缝，而不是一条裂缝。由于不必增加节点和重新划分单元，很容易由计算自动进行处理，因而得到广泛的应用。

4.3 断裂力学或其它模型

断裂力学在混凝土结构分析领域的研究十分活跃，但主要都集中于单个裂缝的应力应变场的分布问题，对于多个裂缝及其各个裂缝之间的相互影响问题，研究工作目前尚不成熟。

5 在ANSYS中钢筋混凝土结构采用的各种模型

5.1 钢筋混凝土结构模型

在ANSYS中可选分离式模型和整体式模型。在分离式模型中，钢筋和混凝土可以采用不同的单元划分方式，例如均采用体单元，但是这种模型的收敛性常存在问题。

在整体式模型中，有专门用于钢筋混凝土结构的Solid65单元及Concrete材料，可以考虑反映混凝土压溃和开裂。Solid65单元为八节点六面体单元，通过定义三个方向的配筋率考虑三个方向的钢筋情况。混凝土材料可通过选取非线性模型考虑塑性变形和徐变。Concrete材料模型的基本参数有开裂截面和裂缝闭合截面的剪切传递参数，单轴和多轴的抗拉、抗压强度等。这种模型比较容易得到收敛的解。

5.2 材料模型

ANSYS软件中提供了许多材料模型，材料属性有：线性材料和非线性材料；同性、正交各向异性和非弹性材料；温度相关和温度无关材料等。但大多数为基于经典材料力学理论的均质材料模型，与混凝土的本构关系有很大区别，这些材料模型包括经典双线性随动强化模型(Bilinear Kinematic,BKI N)、多线随动强化模型(Multilinear Kinematic,MKIN)、双线等向强化模型(Bilinear Isotropic,BIS O)、多线等向强化模型(Multilinear Isotropic,MISO)等，这些材料模型均符合Von Mise屈服准则，其应力应变关系曲线如图1。

钢筋混凝土中钢筋作为一种金属材料，其力学模型相对容易把握，可采用双线性随动强化模型(BK IN)。

混凝土作为一种混合材料，其本构关系非常复杂如图2。ANSYS中多线性随动强化模型(MKIN)合理